5第五章 果蝇胚轴形成
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21
1. 缺口基因 (gap gene)
缺口基因是指那些在受精后最 早沿AP轴线呈区域性表达的 合子基因，缺口基因的表达使 胚胎沿AP轴线形成一些较宽 的区域，每个区域约相当于3 个体节，表达之间可有部分重 叠。 主要有hb、 giant 、Krüppel (kr)、Knirps (kni) 和tailless
具有正常形态特征的一类关系密切的基因。这些基因 都含有一段高度保守的180 bp 的DNA片段，该片段称 为同源异型框 (homebox)。
功能：它将决定产生哪一类体节（前胸部、中胸部或 后胸部）。在每一个体节确定后，调控进一步的结构 特化。
35
在果蝇中，大多数同源异型基因是在第3号染色 体上，排成两簇。一簇叫触角足复合体(Antp-
10
BCD是母体效应因子；bicoid 是母性极性基因 （转录因子）
11
前端bicoid 控制基因hunchback, caudal 的表达
12
Bicoid(BCD)蛋白和 HB 蛋白控制前部区结构：
biciod 是母体效应基因，mRNA 定位于卵子前极，受 精后翻译，BCD蛋白形成从前到后的浓度梯度。这种 浓度梯度为胚胎的前部区分化提供位置信息。
3
一、果蝇胚轴形成
果蝇胚胎沿前－ 后轴分为头节、 3个胸节和8个腹 节，在幼虫的两 末端又特化为前 面的原头和后端 的原尾。沿背－ 腹轴分化为4个 区域，分别为背 侧外胚层、腹侧 外胚层、中胚层 和羊浆膜。
4
羊浆膜
原头
原尾
果蝇幼虫形成的体节与成体的关系
5
果蝇卵子的极性
6
胚胎的极性
7
1. 影响果蝇躯体轴决定的母源基因（maternal effect gene)
14条纹，在每一副体节的特定区域细胞中表达， 发生 突变时，幼虫的每个体节就会缺失一个特定的区域。
表达持续时间长，有些维持一生。
产物为分泌蛋白、受体、细胞内信号及转录因子 。
33
功能：
建立并维持副体节/体节的界限
en在每一副体节最前端的一列细胞中表达，wg基 因的表达区域刚好位于en表达带之前，即每一副 体节的最后一列细胞。因此，这两个基因表达区 域的界线正好确定副体节的界线。
17
DL蛋白能否进入细胞核是由cactus基因调控的 当cactus基因编码产物Cactus蛋白与DL蛋白结合 时，DL蛋白不能进入细胞核； 只有Cactus蛋白被磷酸化而降解 时，DL蛋白才 能被释放出来进入细胞核。
Cactus蛋白的磷酸化是TOLL受体引起的细胞内 信号传递的结果。在合胞体胚盘阶段，TOLL蛋 白在整个细胞膜表面表达，但只在腹侧被spatzle 激活。
通过突变鉴 定确立影响 果蝇前后轴 的三类基因， 即前端系统、 后端系统和 末端系统。
bicoid mutant
nanos mutant
torso mutant
8
影响前后极性的基因：
以bicoid (BCD) 和hunchback(HB)为核心的 前端系统，调节胚胎头胸结构的形成； 以 nanos (NOS) 和caudal(CDL)为核心的后 端系统，调节胚胎腹部结构的形成； 以torso为核心的末端系统，调节胚胎前端原 头区和后端尾节区的发育； gurken、dorsal 和 toll
末端系统：Torso信号途径，决定胚胎两端不分节的原头区和尾 节
背腹轴
TOLL降解CS ：Dorsal(dl)-DL在细胞核中
腹部
DL和CS结合，Toll无活性： Dorsal(dl)-DL在细胞质中
背部：
二、分节基因和胚胎体节的形成（研究 缺失突变体）：
缺口基因
成对控制基因
体节极性基因
同源异型基因
14
末端系统：Torso信号途径
◆Torso 是决定前后轴两个端部的核心 蛋白。torso突变体缺少前端原头区和 后端尾节区。
◆ Torso是受体酪氨酸激酶(RTK)，未 受精前，Torso已均匀分布在卵膜上； 受精后，两极的Torso被配体结合而 活化，开启端部系统发育的信号传导。
◆其配体可能是torsolike (tsl) 基因的产 物。tsl基因只定位于卵子前极的边缘 细胞和卵室后端的极性滤泡细胞中。 TSL蛋白被分泌到卵子两极处的卵周 隙(与torso的活化位置相同)，可能通 过与卵黄膜的结合而维系在两极局域。
13
NOS 蛋白和CDL 蛋白浓度控制后端区结构:
nanos mRNA 定位在卵子后极，受精后翻译， NOS蛋白形成从后到前的浓度梯度。这种浓度 梯度为胚胎的后端分化提供位置信息。 NOS 蛋白是翻译抑制子，不直接调节缺口基因 的表达。 母源型hunchback mRNA 在卵子中均匀分布； 受精后， NOS蛋白抑制母源型hunchback mRNA在后端区的翻译，使HB蛋白只在前端 区高浓度表达。
第五章 果蝇胚轴形成 （Embryonic axes)
1
图式形成(Pattern formation)：
动物发育中，胚胎不但要产生不同类别的细胞， 而且要由这些细胞构成功能性的织织和器官并形成有 序空间结构的形体模式(body plan)。 胚胎细胞形成不同组织、器官、构成有序空间结 构的过程称为图式形成。在动物胚胎发育中最初的图 式形成主要涉及胚轴(embryonic axis)形成、体节形成 (segmentation)、肢芽和器官原基（anlage）及其一系 列相关的细胞分化过程。
果蝇形体模式的分子机制：发育生物学研究的重大成
果之一
2
胚轴指胚胎的前后轴(anterior - posterior axis) 和背腹轴(dorsal- ventral axis)。所有多细胞机体至 少具有一种主要的胚轴。两侧对称的动物还具有中 侧轴(mediolateral axis)或左右轴(left-right axis)。
由单一的浓度梯度来控制，而是由多个 转录因子控制。
32
3. 体节极性基因 (segment polarity gene)
体节极性基因产生每一副体节内部的发育图式。 主要有engrailed (en)、wingless(wg)、hedgehog(hh) 及patched等。 表达特点：
在成对控制基因之后表达；
C)，另一簇叫双胸复合体(BX-C)，这两簇基因
一起构成同源异型复合体(HOM-C)， HOM-C
基因各自发挥独特的功能。
除pb基因外，HOM-C基因在染色体上的前后 排列顺序与早期胚胎体轴的头尾顺序和发育次 序一致，表达早的基因对应于胚胎的头部基因， 表达晚的基因对应于胚胎的尾部。
36
基因的突变会引起同源异形转化现象。
22
表达特点：
(1). 都编码转录因子；
(2). 都在合胞胚期开始 表达； (3). 其产物的半衰期一 般较短，仅数分钟，因 而它们的扩散距离较短； (4). 其表达局限在一定 的区域，其突变会导致 胚胎在该区域及附近区 域的缺失。
lose of Kruppel
23
功能：
1. 彼此调节确定表达界限；
27
果蝇胚胎 的体节和 副体节
未来的体节 副体节
28
果蝇胚胎的体节和副体节
体节
源自文库副体节
副体节仅在原肠作用后一个短暂的时期内能观察到
这些区域通常与基因活性（paired-rule gene)区域一致
29
初级成对控制基因的表达直接受缺口基因的 调控；
表达特点：
相间的7条条纹(patterns
建立体节内部细胞发育命运的差异
体节出现后，en表达于每一体节的最后，把体节 分为前后两个区域，两个区域内的细胞不再交换， 每个区域有各自的发育命运。
34
4. 同源异型基因 (homeotic gene)
同源异型基因最终决定身体体节的发育类别，为体节 决定基因。
同源异型基因是指控制动物体节发育前后次序使动物
DL是一种转录因子。 DL蛋白的核内浓度梯度成 为背腹轴产生区域特异性的位置信息。
18
小结： 前后轴
Bicoid (BCD)和Hunchback (HB)控制胚胎前端结构的形成，决定 头胸部分节的区域.
Nanos (NOS)和 Caudal (CDL)调节胚胎后端结构（腹部）的形成。 决定分节的腹部
2. 调节成对控制基因和体节极性基因的
表达，建立基本体节模式；
3. 调节同源异型基因的表达，确定体节
命运；
24
缺口基因的表达调控：
其表达受母源bicoid基因产物的调节； 且呈浓度依赖性； 相互调节(主要为抑制)，确定表达区域
(界限)。
25
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995
9
影响背腹极性的基因：
2. 果蝇前—后轴的产生：
存在于卵质中调节果蝇胚胎前－后轴的形成有4个 非常重要的形态发生素(morphogen)：Bicoid (BCD)、 Hunchback (HB)、Nanos (NOS)和Caudal (CDL)； Bicoid (BCD)和Hunchback (HB)控制胚胎前端结构 的形成，决定头胸部分节的区域. Nanos (NOS)和 Caudal (CDL)调节胚胎后端结构 （腹部）的形成。决定分节的腹部 末端系统：Torso信号途径，决定胚胎两端不分节 的原头区和尾节
BCD蛋白是一种转录调节因子。受精后，前部区高浓 度的BCD蛋白激活合子hunchback基因的表达。
HB蛋白在前部区形成高浓度表达。 hunchback基因的 表达受到BCD蛋白浓度梯度的控制，只有BCD蛋白浓
度达到一定临界值才能启动hunchback基因的转录。
母源型 caudal mRNA在卵中均匀分布，受精后BCD蛋白抑 制母源型 caudal mRNA在前区的表达，因而CDL蛋白形成 从后到前的浓度梯度。
of seven strips)；
eve在奇数副体节表达，ftz在偶数副体节表
达 同一副体节中的每一排细胞可能表达不同 的成对控制基因
主要为转录因子； 合胞体胚胎期表达。
30
成对基因的缺失
31
功能：
建立副体节的边界；
成对控制基因的每个表达条纹由一组缺
口基因控制。
成对控制基因的间隔性重复表达，无法
"for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development"
Edward B. Lewis
Christiane Nüsslein-Volhard
Eric F. Wieschaus
( http://Nobleprice.org)
26
2. 成对控制基因(Pair-rule gene)
成对控制基因的表达区域以两个体节为单位, 具有周期性，在相互间隔的一个副体节中表 达。成对控制基因的表达是胚胎出现分节的 最早标志，并确定副体节的界限。
副体节(parasegments) ：
在体节沟真正形成之前，基因表达带并不是刚好 与未来的体节吻合，而是逆着可见体节向前移动 半个体节。果蝇学家将其称之为副体节。一个副 体节包括一个未来体节的后半部和后面相邻体节 的前半部分。
37
同源异型基因的表达图式受缺口基因和成 对控制基因的调控。 HOM-C基因的表达区域多相互重叠，表 达区域靠后的基因可部分和全部抑制表达 区域靠前的基因。
15
A－P轴形成总结：
蓝色表示受精前
红色表示受精后
16
3. 果蝇背—腹轴的形成:
（1） 背腹系统:
Dorsal(dl)-DL在细胞核中
Dorsal(dl)-DL在细胞质中
腹部；
背部；
dl mRNA和DL蛋白在卵子中均匀分布。第9 次细胞核分裂之后，胚胎细胞核迁移到达合 胞体胚盘的外周皮质层，在胚胎腹侧DL蛋白 开始往核内聚集，而背侧DL蛋白仍位于胞质 中，从而使DL蛋白在细胞核内的分布沿背－ 腹轴形成一种浓度梯度。
20
分节基因把早期胚胎沿前－后轴分为一系列体节原 基。根据分节基因的突变表型及作用方式分为三类：
缺口基因 (gap gene)
成对控制基因 (pair-rule gene) 体节极性基因 (segment polarity gene)
三类基因的调控是逐级进行的。首先由母体效应基 因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之间相互调节彼 此的转录且共同调节成对控制基因的表达，然后成对控 制基因之间相互作用，把胚胎分割成为一系列重复的体 节，且进一步控制体节极性基因的表达。缺口基因和成 对控制基因再共同调控同源异型基因的表达。
1. 缺口基因 (gap gene)
缺口基因是指那些在受精后最 早沿AP轴线呈区域性表达的 合子基因，缺口基因的表达使 胚胎沿AP轴线形成一些较宽 的区域，每个区域约相当于3 个体节，表达之间可有部分重 叠。 主要有hb、 giant 、Krüppel (kr)、Knirps (kni) 和tailless
具有正常形态特征的一类关系密切的基因。这些基因 都含有一段高度保守的180 bp 的DNA片段，该片段称 为同源异型框 (homebox)。
功能：它将决定产生哪一类体节（前胸部、中胸部或 后胸部）。在每一个体节确定后，调控进一步的结构 特化。
35
在果蝇中，大多数同源异型基因是在第3号染色 体上，排成两簇。一簇叫触角足复合体(Antp-
10
BCD是母体效应因子；bicoid 是母性极性基因 （转录因子）
11
前端bicoid 控制基因hunchback, caudal 的表达
12
Bicoid(BCD)蛋白和 HB 蛋白控制前部区结构：
biciod 是母体效应基因，mRNA 定位于卵子前极，受 精后翻译，BCD蛋白形成从前到后的浓度梯度。这种 浓度梯度为胚胎的前部区分化提供位置信息。
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一、果蝇胚轴形成
果蝇胚胎沿前－ 后轴分为头节、 3个胸节和8个腹 节，在幼虫的两 末端又特化为前 面的原头和后端 的原尾。沿背－ 腹轴分化为4个 区域，分别为背 侧外胚层、腹侧 外胚层、中胚层 和羊浆膜。
4
羊浆膜
原头
原尾
果蝇幼虫形成的体节与成体的关系
5
果蝇卵子的极性
6
胚胎的极性
7
1. 影响果蝇躯体轴决定的母源基因（maternal effect gene)
14条纹，在每一副体节的特定区域细胞中表达， 发生 突变时，幼虫的每个体节就会缺失一个特定的区域。
表达持续时间长，有些维持一生。
产物为分泌蛋白、受体、细胞内信号及转录因子 。
33
功能：
建立并维持副体节/体节的界限
en在每一副体节最前端的一列细胞中表达，wg基 因的表达区域刚好位于en表达带之前，即每一副 体节的最后一列细胞。因此，这两个基因表达区 域的界线正好确定副体节的界线。
17
DL蛋白能否进入细胞核是由cactus基因调控的 当cactus基因编码产物Cactus蛋白与DL蛋白结合 时，DL蛋白不能进入细胞核； 只有Cactus蛋白被磷酸化而降解 时，DL蛋白才 能被释放出来进入细胞核。
Cactus蛋白的磷酸化是TOLL受体引起的细胞内 信号传递的结果。在合胞体胚盘阶段，TOLL蛋 白在整个细胞膜表面表达，但只在腹侧被spatzle 激活。
通过突变鉴 定确立影响 果蝇前后轴 的三类基因， 即前端系统、 后端系统和 末端系统。
bicoid mutant
nanos mutant
torso mutant
8
影响前后极性的基因：
以bicoid (BCD) 和hunchback(HB)为核心的 前端系统，调节胚胎头胸结构的形成； 以 nanos (NOS) 和caudal(CDL)为核心的后 端系统，调节胚胎腹部结构的形成； 以torso为核心的末端系统，调节胚胎前端原 头区和后端尾节区的发育； gurken、dorsal 和 toll
末端系统：Torso信号途径，决定胚胎两端不分节的原头区和尾 节
背腹轴
TOLL降解CS ：Dorsal(dl)-DL在细胞核中
腹部
DL和CS结合，Toll无活性： Dorsal(dl)-DL在细胞质中
背部：
二、分节基因和胚胎体节的形成（研究 缺失突变体）：
缺口基因
成对控制基因
体节极性基因
同源异型基因
14
末端系统：Torso信号途径
◆Torso 是决定前后轴两个端部的核心 蛋白。torso突变体缺少前端原头区和 后端尾节区。
◆ Torso是受体酪氨酸激酶(RTK)，未 受精前，Torso已均匀分布在卵膜上； 受精后，两极的Torso被配体结合而 活化，开启端部系统发育的信号传导。
◆其配体可能是torsolike (tsl) 基因的产 物。tsl基因只定位于卵子前极的边缘 细胞和卵室后端的极性滤泡细胞中。 TSL蛋白被分泌到卵子两极处的卵周 隙(与torso的活化位置相同)，可能通 过与卵黄膜的结合而维系在两极局域。
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NOS 蛋白和CDL 蛋白浓度控制后端区结构:
nanos mRNA 定位在卵子后极，受精后翻译， NOS蛋白形成从后到前的浓度梯度。这种浓度 梯度为胚胎的后端分化提供位置信息。 NOS 蛋白是翻译抑制子，不直接调节缺口基因 的表达。 母源型hunchback mRNA 在卵子中均匀分布； 受精后， NOS蛋白抑制母源型hunchback mRNA在后端区的翻译，使HB蛋白只在前端 区高浓度表达。
第五章 果蝇胚轴形成 （Embryonic axes)
1
图式形成(Pattern formation)：
动物发育中，胚胎不但要产生不同类别的细胞， 而且要由这些细胞构成功能性的织织和器官并形成有 序空间结构的形体模式(body plan)。 胚胎细胞形成不同组织、器官、构成有序空间结 构的过程称为图式形成。在动物胚胎发育中最初的图 式形成主要涉及胚轴(embryonic axis)形成、体节形成 (segmentation)、肢芽和器官原基（anlage）及其一系 列相关的细胞分化过程。
果蝇形体模式的分子机制：发育生物学研究的重大成
果之一
2
胚轴指胚胎的前后轴(anterior - posterior axis) 和背腹轴(dorsal- ventral axis)。所有多细胞机体至 少具有一种主要的胚轴。两侧对称的动物还具有中 侧轴(mediolateral axis)或左右轴(left-right axis)。
由单一的浓度梯度来控制，而是由多个 转录因子控制。
32
3. 体节极性基因 (segment polarity gene)
体节极性基因产生每一副体节内部的发育图式。 主要有engrailed (en)、wingless(wg)、hedgehog(hh) 及patched等。 表达特点：
在成对控制基因之后表达；
C)，另一簇叫双胸复合体(BX-C)，这两簇基因
一起构成同源异型复合体(HOM-C)， HOM-C
基因各自发挥独特的功能。
除pb基因外，HOM-C基因在染色体上的前后 排列顺序与早期胚胎体轴的头尾顺序和发育次 序一致，表达早的基因对应于胚胎的头部基因， 表达晚的基因对应于胚胎的尾部。
36
基因的突变会引起同源异形转化现象。
22
表达特点：
(1). 都编码转录因子；
(2). 都在合胞胚期开始 表达； (3). 其产物的半衰期一 般较短，仅数分钟，因 而它们的扩散距离较短； (4). 其表达局限在一定 的区域，其突变会导致 胚胎在该区域及附近区 域的缺失。
lose of Kruppel
23
功能：
1. 彼此调节确定表达界限；
27
果蝇胚胎 的体节和 副体节
未来的体节 副体节
28
果蝇胚胎的体节和副体节
体节
源自文库副体节
副体节仅在原肠作用后一个短暂的时期内能观察到
这些区域通常与基因活性（paired-rule gene)区域一致
29
初级成对控制基因的表达直接受缺口基因的 调控；
表达特点：
相间的7条条纹(patterns
建立体节内部细胞发育命运的差异
体节出现后，en表达于每一体节的最后，把体节 分为前后两个区域，两个区域内的细胞不再交换， 每个区域有各自的发育命运。
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4. 同源异型基因 (homeotic gene)
同源异型基因最终决定身体体节的发育类别，为体节 决定基因。
同源异型基因是指控制动物体节发育前后次序使动物
DL是一种转录因子。 DL蛋白的核内浓度梯度成 为背腹轴产生区域特异性的位置信息。
18
小结： 前后轴
Bicoid (BCD)和Hunchback (HB)控制胚胎前端结构的形成，决定 头胸部分节的区域.
Nanos (NOS)和 Caudal (CDL)调节胚胎后端结构（腹部）的形成。 决定分节的腹部
2. 调节成对控制基因和体节极性基因的
表达，建立基本体节模式；
3. 调节同源异型基因的表达，确定体节
命运；
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缺口基因的表达调控：
其表达受母源bicoid基因产物的调节； 且呈浓度依赖性； 相互调节(主要为抑制)，确定表达区域
(界限)。
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The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995
9
影响背腹极性的基因：
2. 果蝇前—后轴的产生：
存在于卵质中调节果蝇胚胎前－后轴的形成有4个 非常重要的形态发生素(morphogen)：Bicoid (BCD)、 Hunchback (HB)、Nanos (NOS)和Caudal (CDL)； Bicoid (BCD)和Hunchback (HB)控制胚胎前端结构 的形成，决定头胸部分节的区域. Nanos (NOS)和 Caudal (CDL)调节胚胎后端结构 （腹部）的形成。决定分节的腹部 末端系统：Torso信号途径，决定胚胎两端不分节 的原头区和尾节
BCD蛋白是一种转录调节因子。受精后，前部区高浓 度的BCD蛋白激活合子hunchback基因的表达。
HB蛋白在前部区形成高浓度表达。 hunchback基因的 表达受到BCD蛋白浓度梯度的控制，只有BCD蛋白浓
度达到一定临界值才能启动hunchback基因的转录。
母源型 caudal mRNA在卵中均匀分布，受精后BCD蛋白抑 制母源型 caudal mRNA在前区的表达，因而CDL蛋白形成 从后到前的浓度梯度。
of seven strips)；
eve在奇数副体节表达，ftz在偶数副体节表
达 同一副体节中的每一排细胞可能表达不同 的成对控制基因
主要为转录因子； 合胞体胚胎期表达。
30
成对基因的缺失
31
功能：
建立副体节的边界；
成对控制基因的每个表达条纹由一组缺
口基因控制。
成对控制基因的间隔性重复表达，无法
"for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development"
Edward B. Lewis
Christiane Nüsslein-Volhard
Eric F. Wieschaus
( http://Nobleprice.org)
26
2. 成对控制基因(Pair-rule gene)
成对控制基因的表达区域以两个体节为单位, 具有周期性，在相互间隔的一个副体节中表 达。成对控制基因的表达是胚胎出现分节的 最早标志，并确定副体节的界限。
副体节(parasegments) ：
在体节沟真正形成之前，基因表达带并不是刚好 与未来的体节吻合，而是逆着可见体节向前移动 半个体节。果蝇学家将其称之为副体节。一个副 体节包括一个未来体节的后半部和后面相邻体节 的前半部分。
37
同源异型基因的表达图式受缺口基因和成 对控制基因的调控。 HOM-C基因的表达区域多相互重叠，表 达区域靠后的基因可部分和全部抑制表达 区域靠前的基因。
15
A－P轴形成总结：
蓝色表示受精前
红色表示受精后
16
3. 果蝇背—腹轴的形成:
（1） 背腹系统:
Dorsal(dl)-DL在细胞核中
Dorsal(dl)-DL在细胞质中
腹部；
背部；
dl mRNA和DL蛋白在卵子中均匀分布。第9 次细胞核分裂之后，胚胎细胞核迁移到达合 胞体胚盘的外周皮质层，在胚胎腹侧DL蛋白 开始往核内聚集，而背侧DL蛋白仍位于胞质 中，从而使DL蛋白在细胞核内的分布沿背－ 腹轴形成一种浓度梯度。
20
分节基因把早期胚胎沿前－后轴分为一系列体节原 基。根据分节基因的突变表型及作用方式分为三类：
缺口基因 (gap gene)
成对控制基因 (pair-rule gene) 体节极性基因 (segment polarity gene)
三类基因的调控是逐级进行的。首先由母体效应基 因控制缺口基因的活化，其次缺口基因之间相互调节彼 此的转录且共同调节成对控制基因的表达，然后成对控 制基因之间相互作用，把胚胎分割成为一系列重复的体 节，且进一步控制体节极性基因的表达。缺口基因和成 对控制基因再共同调控同源异型基因的表达。